Shaoyi Metal Technology dalyvaus EQUIP'AUTO Prancūzija parodoje – užsukite ir išsamesnės informacijos apie inovatyvius automobilių metalo sprendimus!
EN
Koks yra Al krūvis? Al3+ paaiškinta su realiais pavyzdžiais
-highlighted-on-the-periodic-table-illustrating-its-+3-ion-formation.jpg)
Kodėl aliuminis sudaro +3 joną
Koks yra Al krūvis?
Ar kada pagalvojote, kodėl aliuminis chemijos uždaviniuose ir pramoninėse formulėse yra toks patikimas? Atsakymas prasideda nuo al krūvio , arba tiksliau, krūvio, kurį neša aliuminio atomas po reakcijos. Dažniausiai aliuminis (cheminis žymuo: Al) sudaro kationą – teigiamą joną – prarastant elektronams. Taigi, koks yra aliuminio krūvis cheminiuose junginiuose? Beveik visada tai yra +3. Tai reiškia, kad kai aliuminis virsta jonu, jis turi tris papildomus protonus nei elektronus, todėl žymimas simboliu Asis 3+ (LibreTexts) .
Chemijoje terminas katijonas nurodo bet kurį joną, turintį grynąją teigiamą įkrovą, kuris susidaro, kai atomas praranda vieną ar daugiau elektronų. Aliuminiui šis procesas yra labai prognozuojamas ir yra pagrindas jo plačiai naudoti viskame – nuo vandens valymo iki aviacijos lydinių.
Aliuminis dažniausiai egzistuoja kaip Al 3+ katijonas joninėse medžiagose.
Kodėl aliuminis sudaro katijoną
Išsamiau paanalizuokime. Neutralus aliuminio atomas turi 13 protonų ir 13 elektronų. Tačiau reaguodamas jis linkęs prarasti tris elektronus – o ne įgyti juos. Šį praradimą skatina trys valentingieji elektronai (elektronai išorinėje apvalkale), kuriuos yra santykinai lengva pašalinti lyginant su vidiniais elektronais. Pašalinus juos, aliuminis pasiekia stabilų elektronų konfigūraciją, atitinkančią inertinio dujų – neoną. Rezultatas? Stabilus +3 įkrautas jonas, arba aliuminio jono krūvis .
Atrodo sudėtingai? Įsivaizduokite, kad aliuminio trys valentieji elektronai yra kaip „pavieniai pinigai“, kuriuos jis mielai atiduoda, kad pasiektų stabilų būseną. Dėl šios priežasties beveik visose cheminėse sąvartose matysite Al kaip Al 3+ joniniuose junginiuose.
Kaip krūvis siejamas su periodinėmis tendencijomis
Tačiau kodėl aliuminis visada praranda būtent tris elektronus? Atsakymas slypi periodinėje lentelėje. Aliuminis yra 13 grupėje , kurioje visi elementai turi bendrą bruožą: jie turi tris valentinius elektronus ir linkę prarasti visus tris, kad susidarytų +3 krūvis. Ši tendencija padeda chemikams greitai numatyti al krūvį nebūnant reikia mokėti visų atvejų atmintinai. Tai nėra tik smagūs faktai – tai trumpinys, kuris padeda sudaryti chemines formules, pavadinti junginius, o netgi numatyti tirpumą ar elektrocheminį elgesį.
Pavyzdžiui, žinant krūvis galite iš karto užrašyti formules įprastiems junginiams, tokiems kaip Al 2O 3(aliuminio oksidas) arba AlCl 3(aliuminio chloridas), ir suprasti, kodėl aliuminis yra toks efektyvus formuojant stiprius, stabilius junginius
- Aliuminio krūvis junginiuose beveik visada yra +3
- Sudaro katijonas (teigiamas jonas), praradęs tris valentinius elektronus
- Šis elgesys nuspėjamas pagal jo vietą periodinės lentelės 13 grupėje
- Žinoti Al krūvį padeda rašyti formules, pavadinti junginius ir pasiruošti laboratorinėms darbams
- Asis 3+ yra pagrindinis aliuminio vaidmens pramonėje ir medžiagų moksle supratimas
Vis dar neaišku, kaip tai telpa į bendrą vaizdą? {The} al krūvio yra jūsų įėjimo taškas, siekianti išmokti chemines formules ir suprasti, kodėl aliuminis yra taip plačiai naudojamas. Kituose skyriuose išsamiau panagrinėsime elektronų konfigūraciją, kurią nulemia Al 3+ ir energetiką, kuri daro šį krūvį tokį patikimą. Pasiruošę pamatyti, kaip atomų struktūra formuoja realiąją chemiją? Tęskime.
Nuo elektronų konfigūracijos iki Al 3+
Neutralaus aliuminio elektronų konfigūracija
Kai pažvelgiate į periodinę lentelę ir pastebite aliuminį (Al), pastebėsite, kad jo atominis numeris yra 13. Tai reiškia, kad neutralus aliuminio atomas turi 13 elektronų. Bet kur dingsta tie elektronai? Išsamiai pažvelkime:
- Pirmi du elektronai užpildo 1s orbitalę
- Kiti du užpildo 2s orbitalę
- Tada šeši užpildo 2p orbitalę
- Likę trys elektronai patenka į 3s ir 3p orbitales
Tai suteikia aliuminiui pagrindinę elektronų konfigūraciją 1S 22s 22P 63S 23P 1, arba trumpai naudojant inertinio dujo branduolį, [Ne] 3s 23P 1.
Pakopėtas valencinių elektronų praradimas
Taigi, kaip neutralus aliuminis tampa Al 3+ ? Visas reikalas aliuminyje yra susijęs su elektronais išorinėje apvalkėje. Einame per visą procesą:
- Pradedame nuo neutralaus Al: [Ne] 3s 23P 1
- Šaliname vieną 3p elektroną: [Ne] 3s 2
- Šaliname du 3s elektronus: [Ne]
Kiekvienas prarastas elektronas yra vienas žingsnis artyn nuo stabilios, inertinio dujų konfigūracijos. Kadangi pašalinami trys elektronai, atomas tampa kationu su +3 krūviu —tai yra būdingas ženklas aliuminio jono formulė (Al 3+ ).
Gautas Al 3+ konfigūracija
Praradęs visus tris valentinius elektronus, al3+ elektronų konfigūracija yra paprasta [Ne] , arba išsamiai 1S 22s 22P 6 Study.com . Tai atitinka neoną, inertinio dujų konfigūraciją, todėl Al 3+ ypatingai stabilus joniniuose junginiuose.
Al → Al 3+ + 3 e − ; Al 3+ turi neono elektronų konfigūraciją.
Įsivaizduokite, kad aliuminis „nusimauna“ savo išorinius elektronus, kad atsivertų stabilus branduolys – kaip lukštenant svogūno sluoksnis, kol pasiekiama šerdį.
- Neutralus Al: [Ne] 3s 23P 1
- Asis 3+ jonas: [Ne] (nebeliko valentinių elektronų)
Dėmesį skiriantiems vizualiai mokymosi būdui, Al orbitinės dėžutės schema 3+ rodytų visas užpildytas dėžutes iki 2p, o 3s ir 3p dėžutės būtų tuščios. Al struktūrinė formulė 3+ tiesiog rodytų simbolį su 3+ krūviu – be taškų, nes nebeliko valentinių elektronų.
Šis palaipsnis požiūris ne tik paaiškina al 3 elektronų konfigūracija bet taip pat leidžia jums numatyti ir sudaryti konfigūracijas kitoms jonams. Šio proceso valdymas yra būtinas norint teisingai rašyti formules, suprasti reakcingumą ir spręsti chemijos uždavinius, susijusius su Al krūviu.
Dabar, kai žinote, kaip aliuminis atsikrato elektronų ir tampa Al 3+ , esate pasiruošę išsiaiškinti, kodėl šis +3 krūvis yra toks populiarus joninėse junginėse ir kaip energetika veikia užkulisiuose. Tękime!
Kodėl aliuminiui būdingas +3 joninis krūvis
Jonizacijos balansas su gardelės ir hidratacijos energijomis
Kai matote aliuminį chemijos formulėje – galvokite Al 2O 3arba AlCl 3– ar kada nors mąstėte, kodėl jis beveik visada pasirodo kaip Al 3+ ? Tai priklauso nuo energijos pokyčių balanso junginių joninis aliuminis sudarymo procese. Norint gauti aliuminio joną, neutralaus atomo turi būti pašalinti trys elektronai. Šiam procesui reikia energijos, vadinamos jonizacijos energija . Iš tiesų, aliuminio pirmojo, antrojo ir trečiojo elektronų jonizacijos energijos yra nemenkos: atitinkamai 577,54, 1816,68 ir 2744,78 kJ/mol (WebElements) . Tai didelė investicija!
Taigi, kodėl aliuminiui verta vargti, kad prarastų tris elektronus? Atsakymas yra tas, kad susidariusios Al 3+ ionai jungiasi su stipriai įkrautais anionais (tokiais kaip O 2− arba F − ) ir sudaro kristalo gardelę. Šis procesas išskiria didelį kiekį energijos, vadinamosios gardelės energijos . Kuo didesnis jonų krūvis, tuo stipresnė elektrostatinė trauka ir didesnė išsiskyrusi gardelės energija. Pvz., AlF gardelės energija 3yra daug didesnė nei NaF ar MgF 2—parodant, koks stabilizuojantis gali būti +3 krūvis (Oklahomos valstijos universitetas) .
- Iš aliuminio pašalinti tris elektronus reikia daug energijos
- Formuojant kietą gardelę (kaip Al 2O 3) išsiskiria dar daugiau energijos
- Ši energijos atigauna daro +3 būseną ypač stabilia Al aliuminio jonu
Daugelyje joninių gardelių ir vandenyje esančių aplinkų Al stabilizavimas 3+ viršija trijų elektronų pašalinimo kainą.
Kodėl +3, o ne +1 ar +2 joninėse kietose medžiagose
Kodėl gi pašalinti tik vieną ar du elektronus? Įsivaizduokite, kad bandoma sukurti stabilų druską su Al + arba Al 2+ . Gautosios gardelės būtų kur kas silpnesnės, kadangi elektrostatinis jėgas tarp jonų yra mažesnis. Įtempimas joninė aliuminio kaina tiesiogiai nulemia, kiek energijos išsiskiria kristalo struktūroje. Kuo didesnis krūvis, tuo stipresnis ryšys ir tuo stabiliau junginys.
Todėl retai galima pamatyti, kad aliuminis sudarytų +1 arba +2 jonus paprastuose druskuose. Energijos kiekis, gaunamas sudarius stipriai įkrautą gardelę su Al 3+ yra pakankamas, kad kompensuotų didesnę jonizacijos energiją, reikalingą atplėšti tą trečią elektroną. Kitaip tariant, visas procesas yra energiškai palankus, net jei pradinis žingsnis yra brangus. Tai klasikinis pavyzdys, kaip aliuminio elektronų praradimas arba įgūdis priklauko ne tik nuo paties atomo, bet ir nuo aplinkos, kurioje jis atsiduria – ypač nuo tipo junginio, kuris susidaro.
Panagrinėkime keletą realių pavyzdžių. Kai sujungiate Al 3+ su O 2− , gaunate Al 2O 3. Su Cl − , tai AlCl 3. Su SO 42− , gaunate Al 2(SO 4)3. Šios formulės visos atspindi poreikį balansuoti krūvius, o aliuminio +3 krūvis yra tas, kuris leidžia šias stichiometrijas veikti.
Kontekstiniai kovalentinių junginių apribojimai
Žinoma, ne visi aliuminio junginiai yra gryniai joniniai. Kai kuriais atvejais – tokiais kaip kai kurie organoaliuminio junginiai ar kai aliuminis sujungtas su labai poliarizuojamais partneriais – aliuminio jono krūvis yra mažiau aiškus. Kovalentinis ryšys, elektronų dalijimasis ir net dalinis krūvio perkėlimas gali paveikti matomą krūvį. Visgi, daugelyje paprastųjų druskų ir vandeniniuose tirpaluose Al 3+ dominuoja dėl jonizacijos, gardelės ir hidratacijos energijų sąveikos.
Taip pat verta paminėti, kad aliuminio elektronų afinitetas yra teigiamas, o tai reiškia, kad jis nesugeba lengvai priimti elektronų ir sudaryti anionų. Tai patvirtina kodėl aliuminio elektronų praradimas arba įgūdis beveik visada sukelia katijonų, o ne anijonų susidarymą.
- +3 yra stabiliausia joninė aliuminio krūvio būklė druslose ir tirpaluose
- +1 ir +2 būklės yra retos dėl mažesnio gardelės stabilizavimo
- Kovalentiniai junginiai gali pakeisti matomą krūvį, tačiau tai yra išimtys
Toliau pamatysite, kaip šie krūvio sampratos padės jums užrašyti formules ir pavadinti junginius, padarydami Al krūvį ne tik teorinę detalę, bet ir praktinį įrankį chemijos problemoms spręsti.
Formulės ir pavadinimai, sudaryti iš Al 3+
Formulių sudarymas su Al 3+ ir paprasti anionai
Kai susiduriate su chemijos problema – galbūt jūsų prašoma, „Kokia yra aliuminio sulfato formulė?“ – žinodami aliuminio al krūvio yra jūsų pirmas žingsnis. Kadangi aliuminis sukuria +3 kationą ( aliuminio kationas ) jūs visada turėsite subalansuoti šį krūvį su neigiamais krūviais, turimais dažnių anionų. Atrodo sudėtinga? Paanalizuokime tai aiškiu metodu, kuris veikia kiekvieną kartą.
- Nustatykite krūvį Al ( +3) ir krūvį anijonoje (pvz., O 2− , Cl − , SO 42− , ne 3− , OH − ).
- Naudokite kryžminį metodą arba mažiausią bendrą kartotinį, kad subalansuotumėte bendrą teigiamą ir neigiamą krūvį.
- Sumažinkite santykį iki paprasčiausių sveikųjų skaičių galutinei formulės išraiškai.
Pažvelkime į tai, susiejant Al su kai kuriais 3+ paprastais anionais:
| Anionas | Formulė | Vardas |
|---|---|---|
| O 2− (oksidas) | Asis 2O 3 | Aliuminio oksidas |
| Cl − (chloridas) | AlCl 3 | Aliuminio chloridas |
| Taigi 42− (sulfatas) | Asis 2(SO 4)3 | Aliumino sufato |
| Ne 3− (nitratas) | Al(NO 3)3 | Aliuminio nitratas |
| OH − (hidroksidas) | Al(OH) 3 | Alumino hidroksidas |
Atkreipkite dėmesį, kad aliuminio jono formulė (Al 3+ ) nulemia indeksus kiekvienoje medžiagoje taip, kad visi teigiami ir neigiami krūviai panaikintų vienas kitą. Pavyzdžiui, AlCl 3šaudymas yra neutralus, nes trys Cl − jonai (viso −3) balansuoja vieną Al 3+ (+3).
Pavadinimų suteikimo taisyklės druskoms ir koordinacijos junginiams
Ar kada nors svarsčėte, „ Koks yra aliuminio jono pavadinimas ? Tai paprasta: aliuminio jono pavadinimas yra tiesiog aliuminio jonu , monatominiams kationams, tokiais kaip Al 3+ , naudojamas elemento pavadinimas, po kurio eina „jonas“. Taip pat vadindami junginį – pradėkite nuo kationo, po to aniono, naudodami aniono šaknį ir priesagą „-idas“ paprastiems jonams (pvz., chloridas, oksidas), arba visą poliatominio jono pavadinimą (pvz., sulfatas, nitratas).
Koordinačių ar sudėtingesniems junginiams taikoma ta pati logika: pirmiausia nurodomas teigiamo jono pavadinimas, po kurio eina neigiamos dalies komponentas. Čia nereikia romėniškųjų skaitmenų, kadangi aliuminis beveik visada sudaro tik vieną paplitusį krūvį (+3).
- Asis 3+ vadinamas aliuminio jonu
- Asis 2O 3: aliuminio oksidas
- AlCl 3: Aluminium chloride
- Al(OH) 3: aliuminio hidroksidas
- Al(NO 3)3: aliuminio nitratas
Išspręsti joninio balanso pavyzdžiai
Pereikime per greitą pavyzdį. Įsivaizduokite, kad prašoma parašyti formulę junginiui, susidariusiam tarp Al 3+ ir SO 42− (sulfatas):
- Asis 3+ (krūvis +3), SO 42− (krūvis −2)
- Raskite mažiausią bendrąją krūvių kartotinę (6): du Al 3+ (viso +6), trys SO 42− (viso −6)
- Formulė: Al 2(SO 4)3
Užduočių sąrašas rašant šias formules:
- Nustatykite kiekvieno jono krūvį
- Sulyginkite bendrą teigiamą ir neigiamą krūvių sumą
- Užrašykite formulę su apatineis indeksais, atspindinčiais santykį
- Taikykite IUPAC nomenklatūros taisykles galutiniam junginio pavadinimui
Kadangi šios taisyklės apima daugumą joninių junginių, prisiminkite, kad realūs medžiagos gali būti sudėtingesnės – kartais turinčios vandens molekules (hidratus), polimerines struktūras ar kovalentinį pobūdį. Aptarsime šiuos išimtis ir kraštutinius atvejus kitame skyriuje, kad galėtumėte pamatyti, kur klasikinės taisyklės keičiasi ir kodėl.
Kaip aliuminio jonai veikia vandenyje
Heksaaqua Al 3+ kaip pradinę nuostatą
Ar kada pagalvojote, kas iš tikrųjų vyksta, kai aliuminio druskos tirpsta vandenyje? Kai į stiklininką įdedate kažką panašaus į aliuminio nitrato, galite tikėtis, kad ji paprasčiausiai išskirs aliuminio jonus (Al 3+ ) į tirpalą. Tačiau viskas nėra taip paprasta. Vietoje to, kiekvienas Al 3+ asmuo iš karto traukia ir susijungia su šešiais vandens molekulėmis, sudarydamas kompleksą, vadinamą heksaaqua aliuminio(III) , arba [Al(H 2O) 6]3+ . Tai nėra tik gudrybė – šis kompleksas yra tikroji aliuminio joninio krūvio forma, su kuria susiduriama vandeniniuose tirpaluose.
Taigi, kai klausiate, kaip aliuminio atomas virsta jonu vandenyje, atsakymas yra: jis praranda tris elektronus, kad taptų Al 3+ , o tada greitai koordinuoja su vandeniu, kad susidarytų [Al(H 2O) 6]3+ . Tai yra pradžia visai įdomiai chemijai, kuri seka.
Hidrolizė ir Al(OH) susidarymas 3
Štai kur dalykai tampa įdomūs. aliuminio jonas yra mažas ir labai įkrautas, todėl jis traukia elektronus iš vandens molekulių, prie kurių yra prisijungęs, todėl šios O–H jungtys tampa polaresnės. Tai reiškia, kad vandenilio atomai tampa lengvesni prarasti kaip protonai (H + ). Rezultatas? Kompleksas gali veikti kaip rūgštis, išsiskirianti į tirpalą – tai vadinama hidrolize :
- [Al(H 2O) 6]3+ + H 2O ⇌ [Al(H 2O) 5(OH)] 2+ + H 3O +
- [Al(H 2O) 5(OH)] 2+ + H 2O ⇌ [Al(H 2O) 4(OH) 2]+ + H 3O +
- [Al(H 2O) 4(OH) 2]+ + H 2O ⇌ [Al(H 2O) 3(OH) 3] + H 3O +
Kai einat per šiuos etapus, tirpalas tampa vis rūgštesnis. Jei toliau pridėsite pagrindo arba pH reikšmė pakils link neutralios, pastebėsite baltą, želė pavidalo nuosėdą susidarymą. Tai yra alumino hidroksidas , Al(OH) 3, būdingas aliuminio jonus vandenyje esant arti neutralaus pH.
Amfoteriškumas ir Aluminatas Bazinėje Terpėje
Tačiau istorija nesibaigia paprasta nuosėda. Aliuminis(III) yra amfoterinis , tai reiškia, kad jis gali reaguoti tiek kaip rūgštis, tiek kaip pagrindas. Jei pridėsite perteklinį pagrindą (padarysite tirpalą stipriai šarminį), Al(OH) 3vėl ištirpsta, šį kartą sudarydamas tirpias aliuminio jonų (pvz., [Al(OH) 4]− ):
- Al(OH) 3(s) + OH − (aq) → [Al(OH) 4]− (aq)
Ši amfoterinė savybė yra pagrindinė aliuminio krūvio chemijos savybė. Tai reiškia, kad aliuminio hidroksidas gali tiek nusistatyti, tiek vėl ištirpti priklausomai nuo pH lygio.
Aliuminis(III) yra amfoterinis: jis nusistato kaip Al(OH) 3artimo neutralaus pH, o stipriuose bazėse ištirpsta kaip aliuminatas.
Kokios rūšys pasirodo esant skirtingam pH lygmenims?
Jei rengiatės į laboratoriją arba sprendžiate namų darbų uždavinį, štai trumpas vadovas apie tai, ką rasite per visą pH spektrą:
- Rūgšta (žemas pH): [Al(H 2O) 6]3+ dominuoja
- Arti neutralus pH: Al(OH) 3sudaro nuosėdas
- Šarminis (aukštas pH): [Al(OH) 4]− (aluminate) yra pagrindinė rūšis
Įsivaizduokite, kad pridedate rūgštį, kad ištirptumėte aliuminio hidroksidą, arba šarmą, kad jis vėl atsirastų – tai klasikinis amfoterizmo pavyzdys ir praktinė demonstracija koks yra aliuminio jono krūvis skirtingose aplinkose.
Kodėl tai svarbu: analitinė chemija ir vandens valymas
Ši hidrolizė ir amfoterinė elgsena yra daugiau nei tik mokslinės knygos detalė. Analitinėje chemijoje Al(OH) 3gali trukdyti testams arba sukelti nepageidaujamus nuosėdas. Vandens valymo procese aliuminio druskos naudojamos koaguliacijai, pasitelkiant būtent šias reakcijas, kad būtų sugautos priemaišos. Supratus aliuminio jonus vandenyje galima prognozuoti ir kontroliuoti šiuos rezultatus.
O jei domitės pažengusiais klausimais, pavyzdžiui aliuminio jonas su 10 elektronų , prisiminkite: kai Al 3+ susidaro, jis praranda tris elektronus (taigi lieka 10, tiek pat, kiek neonas). Tai sieja akvatinę chemiją, kurią matote laboratorijoje, su gilesnėmis idėjomis apie kaip aliuminio atomas virsta jonu prarandant elektronus ir solvavimą.
Pasiruošę pamatyti, kaip šie išimtys ir kraštiniai atvejai – tokie kaip kovalentinis ryšys ar specialūs aliuminio kompleksai – gali keisti klasikinius taisykles? Tai bus toliau, kur paprastos joninės chemijos ribos bus stumiamos dar toliau.
Kai aliuminio cheminė gamyba pažeidžia taisykles
Kovalentinio jungimo ir polarizacijos poveikis
Kai įsivaizduojate aliuminiumą chemijoje, tikriausiai jį įsivaizduojate kaip klasikinį aliuminio kationas al 3+ susijungia su neigiamais jonais švariuose joniniuose kristalais. Bet kas nutinka, kai pasikeičia sąlygos ar partneriai? Štai kur viskas tampa įdomu. Kai kuriuose junginiuose didelis Al krūvis ir mažas jo dydis 3+ leidžia jai stipriai traukti, arba polarizuoti , netoliese esančio aniono elektronų debesis. Šis "aluminiumo skardinės polarizacijos" poveikis yra toks stiprus, kad ribos tarp joninių ir kovalentinių jungčių pradeda išblėsti. Fajans taisyklės padeda paaiškinti: mažas, labai įkrovytas kationas (pvz., Al 3+ ) ir didelio, lengvai iškraipomų anionų (pvz., − ) palankiai veikia kovalentinius ryšius.
Imti aliuminio chloridas (AlCl 3)pavyzdžiui. Nors galėtumėte tikėtis, kad tai yra paprasta joninė junginio, realybėje, jo ryšiai yra daugiausiai kovalentiniai, ypač garų fazėje arba nepoliariuose tirpikliuose. Kodėl? Al 3+ jonas traukia elektronų tankį iš chlorido jonų, todėl susidaro orbitalų persiklojimas ir elektronų dalijimasis. Dėl to AlCl 3egzistuoja kaip paprasta molekulė, o ne klasikinė joninė gardelė. Tiesą sakant, dujinėje fazėje arba kai jis yra išlydytas, AlCl 3sudaro dimerines molekules (Al 2Cl 6) su bendrais chloro tilteliais – dar vienas ženklas, kad dominuoja kovalentiškumas.
- Chalogenidų dimerai (pvz., Al 2Cl 6) dujinėje fazėje arba lydalyje
- Organiniai aliuminio reagentai (tokiems kaip trialkilaliuminio junginiai)
- Sudėtingi su stipriai poliarizuojamais arba apsunkinančiais ligandais
Dėl aliuminio didelio krūvio tankio jis gali poliarizuoti arti esančius anonus, padidindamas kovalentinius junginius, kurie kitaip atrodytų kaip paprasti joniniai junginiai.
Žemesni oksidacijos laipsniai: Al(I) ir Al(II)
Ar Al 3+ yra vienintelis žaidimas mieste? Ne visada. Specializuotų tyrimų sąlygose chemikai izoliavo junginius, kuriuose aliuminis yra žemesniu oksidacijos būve, pvz., Al(I) ir Al(II). Šie formatai neatsiranda kasdieniniuose druskuose ar pramonės procesuose, tačiau jie svarbūs pažengusiuose medžiagose ir katalizėje. Pavyzdžiui, Al(I) centrų turinčios grupės ir kompleksai buvo sintezuoti ir tirti dėl jų neįprastos reakcingumo ir gebėjimo aktyvuoti stiprius cheminius ryšius. Šie tipai paprastai stabilizuojami naudojant masyvius organinius ligandus arba sudarant kompleksus su kitais metalais, kurie padeda jiems išvengti paprasto grįžimo prie stabilumo Al 3+ forma (RSC Advances) .
Taigi, jei kada nors pamatysite nuorodas į al 3 arba al joną kalbant apie egzotinius klasterius ar mokslinius straipsnius, prisiminkite: aliuminio chemijos pasaulis yra platesnis nei tik klasikinis +3 kationas.
Organoaliuminio chemija: už paprastų jonų ribų
Ką sako aliuminio vaidmuo organinėje sintezėje ir polimerų chemijoje? Įžengkite į pasaulį, kur vadinamas organoaliuminio junginiai . Tai molekulės, kuriuose aliuminis yra tiesiogiai sujungtas su anglis, sudarydamas Al–C ryšius, kurie yra labai poliarizuoti, tačiau iš esmės kovalentiniai. Pavyzdžiai yra trialkilaliuminis (pvz., Al(C 2H 5)3) ir triaril-aliuminis rūšys. Šie junginiai plačiai naudojami pramonės katalizėje, pvz., Zieglerio–Nattos procese, skirtame gaminti poliolefinus, ir laboratorinėje sintezėje, kad pridėti alkilo grupes prie kitų molekulių (Wikipedia) .
Organoaliuminio chemijos srityje paprasto teigiamo krūvio jono sąvokos taikyti negalima. Vietoj to aliuminio atomas yra dalis kovalentinio rėmo, dažnai dinamiškai susijęs ir unikaliai reakcingas. Kai kurie organoaliuminio junginiai netgi turi Al–Al ryšius arba grupės struktūras, pabrėžiant aliuminio ryšių lankstumą už tipinės „koks yra kationo krūvis“ istorijos ribų.
- Trialkilaliuminio ir triarilaliuminio reagentai (katalizatoriai, alkilinimo agentai)
- Aliuminio hidrido ir halogenidų grupės su kovalentiniu rėmu
- Mažo oksidacijos būvio aliuminio grupės ir kompleksai
Apibendrinant, nors aliuminio kationas Asis 3+ yra labiausiai žinoma forma druskuose ir tirpaluose, aliuminio chemija yra gausi išimčių. Susidūrę su nestandartiniais ryšių partneriais, žemu oksidacijos būviu arba organometaliniu rėmu, pasiruoškite klasiškoms taisyklėms kisti. Tokia sudėtingumo suteikia aliuminiui įdomų – ir universalų – elementą tiek moksliniuose tyrimuose, tiek pramonėje.
Pasiruošęs patikrinti savo žinias? Tolesniame etape išplėsime patikimą metodo, leidžiančio prognozuoti aliuminio krūvį, taikymą realybėje pagrįstomis formulėmis ir praktinėmis užduotimis.
Patikimas metodas aliuminio krūviui prognozuoti
Naudojant grupės tendencijas prognozuoti būdingus jonų krūvius
Kai pirmą kartą pažvelgiate į periodinę lentelę, atrodo labai sudėtinga nuspėti jono krūvį. Tačiau ką jei yra trumpesnis kelias? Jis egzistuoja – tai grupės tendencijos! Pagrindinių grupių elementams periodinė lentelė atskleidžia tokias dėsningybes, kurios leidžia greitai nustatyti, ar atomas praras ar įgaus elektronų ir koks bus jo jono krūvis. Tai ypač naudinga namų darbams, laboratoriniams darbams ar net realybės pagrįstiems uždaviniams spręsti.
Štai kaip tai veikia: vienoje grupėje (vertikalioje kolonėlėje) esantys elementai dažnai sudaro jonus su vienodu krūviu. Metalams kairėje pusėje (1, 2 ir 13 grupėse), tipiškas jonų krūvis atitinka grupės numerį – 1 grupė sudaro +1, 2 grupė sudaro +2, o 13 grupė (kurioje yra aliuminio) sudaro +3. Ne metalams dešinėje pusėje krūvis paprastai yra neigiamas ir gali būti numatomas atėmus grupės numerį nuo 18.
- Raskite grupės numerį: Tai parodys, kiek valentinių (išorinių) elektronų turi atomas.
- Nuspręskite: atiduoti ar priimti elektronus? Metalai atiduoda elektronus, kad pasiektų inertinio dujų konfigūraciją, sudarydami kationus (teigiamus jonus). Ne metalai priima elektronus, kad užpildytų savo valentines, sudarydami anionus (neigiamus jonus).
- Pasirinkite paprasčiausią kelią: Atomai renkasi mažiausios energijos kelią – atiduoda ar priima mažiausią elektronų skaičių – kad pasiektų stabilų, inertinio dujų būklę.
- Patikrinkite su pažįstamu anionu: Sujunkite prognozuotą kationą su dažnu anionu (pvz., O 2− , Cl − , arba SO 42− ) ir įsitikinkite, kad formulė yra neutrali iš viso.
Šis metodas yra ypač patikimas pagrindinių grupių elementams, kaip aprašyta LibreTexts .
Metodo taikymas aliuminiui
Pabandykime šį metodą taikyti aliuminiui. Įsivaizduokite, kad jūs klausiate, koks yra aliuminio jonų krūvis ? Štai kaip tai galima išsiaiškinti:
- Aliuminis (Al) yra 13 grupėje periodinės lentelės
- Turime trys valentieji elektronai .
- Kaip metalas jis praranda elektronus pasiekti ankstesnio inertinio dujinio (neono) elektronų konfigūraciją.
- Taigi, kiek elektronų aliuminis gauna ar praranda ? Jis praranda tris .
- Tai sukuria +3 kationą : Al 3+ .
Atsakymas į koks al krūvis daugelyje junginių yra +3. Todėl dažnai matysite Al 3+ pasirodantys formulėse kaip Al 2O 3, AlCl 3, ir Al 2(SO 4)3. Tokia pat logika taikoma ir kitiems pagrindinių grupių metalams, tačiau +3 krūvis yra 13 grupės elementų, ypač aliuminio, bruožas.
Ketinant 13 grupės metalų jonines junginius, numatykite +3 kationą; patikrinkite balansuodami krūvius paprastuose druskuose.
Tikrinant pagal formulės neutralumą
Kaip žinoti, kad jūsų prognozė teisinga? Patikrinkime greitai balansuodami formules. Tarkime, norite užrašyti aliuminio ir chlorido (Cl − ):
- Asis 3+ pora su Cl − . Kad balansuotumėte krūvius, reikės tris Cl − kiekvienam Al 3+ (viso +3 ir −3).
- Formulė yra AlCl 3.
Pabandykite kitą: aliuminis ir sulfatas (SO 42− ):
- Asis 3+ (+3) ir SO 42− (−2). Mažiausias bendras kartotinis yra 6: du Al 3+ (+6) ir trys SO 42− (−6).
- Formulė yra Asis 2(SO 4)3.
Jei kada nors susimąstote, koks yra krūvis ant jono, kurį sudaro aliuminis , tiesiog naudokite grupės tendenciją ir patikrinkite formulę dėl neutralumo. Tai padeda ne tik numatyti krūvį, bet ir užtikrinti, kad cheminės formulės būtų teisingos kiekvieną kartą.
- Grupės numeris nurodo galimą jonų krūvį (Al: 13 grupė → +3)
- Metalai praranda, o nemetalai įgyja elektronų, kad pasiektų inertinio dujų konfigūraciją
- Visada tikrinkite formules dėl visuminio neutralumo
Išbandykite šią metodą su kitais elementais, ir netrukdyti galėsite nuspėti aliuminio jono krūvį – ar bet kurį pagrindinės grupės joną – nereikia mokytis visų atvejų
Dabar, kai turite patikimą strategiją prognozuoti krūvius, pažiūrėkime, kaip šis supratimas siejamas su realaus pasaulio taikymu ir pramonės poreikiais kitame skyriuje.
Kaip aliuminio krūvis formuoja realaus pasaulio sprendimus
Kur žinios apie Al 3+ svarbios pramonėje
Kai įžengiate į gamybos, statybos ar automobilių dizaino sritį, pastebėsite, kad al krūvio nėra tik teorinis konceptas – tai praktinė pagrindų bazė beveik visoms technologijoms. Kodėl? Todėl, kad kokia yra aliuminio krūvis tiesiogiai nulemia, kaip jis sąveikauja su aplinka, ypač paviršiuje, kuriame vyksta dauguma cheminių reakcijų ir procesų. Arba nurodydami lydinius konstrukciniams tikslams, arba pasirinkdami dengiančiuosius sluoksnis nuo korozijos, suprasti koks yra aliuminio krūvis padeda prognozuoti, kontroliuoti ir optimizuoti našumą.
Projektavimo pastabos dėl korozijos, anodinimo ir ekstruzijos
Įsivaizduokite, kad esate atsakingas už automobilio komponento ar architektūrinio rėmo medžiagos pasirinkimą. Jums reikia žinoti: ar aliuminis turi pastovų krūvį ? Beveik visose pramonės sąvokose aliuminio +3 krūvis yra prognozuojamas ir svarbus jo elgesiui. Štai kaip tai atsispindi praktikoje:
- Anodiniai paviršiai: +3 Al krūvis skatina tvirtos oksidų sluoksnio susidarymą anodinio dorojimo metu, kuris apsaugo metalą nuo korozijos ir leidžia dažyti arba hermetizuoti.
- Klijavimo paruošimas: Paviršiaus apdorojimai, keičiantys aliuminio krūvio būseną, pagerina dažų, klijų arba laminatų prilipimą, sukuriant reakcingas vietas oksidų sluoksnyje.
- Elektrolitinės aplinkos: Baterijose, elektrolizeriuose arba aušinimo sistemose, žinoti koks yra aliuminio krūvis padeda prognozuoti, kaip Al koruos, tirps arba kauptųsi – svarbu ilgaamžiškumui ir saugai ( Aliuminio asociacija ).
- Profilio formavimo dizainas: Al krūvis daro įtaką lydinių pasirinkimui, paviršiaus pasyvavimui ir suderinamumui su sujungimo bei apdirbimo procesais, paveikdamas viską – nuo ekstruzijos stiprumo iki paviršiaus kokybės.
Visuose šiuose atvejuose svarbu tai, kad aliuminis prisidėti arba prarasti elektronus —beveik visada praranda tris elektronus, kad susidarytų Al 3+ —yra raktas į patikimus ir kartojamus rezultatus. Paviršiaus chemijos analizė, atliekama naudojant technikas, tokias kaip FTIR arba XRF, dar kartą patvirtina, kad valdant aliuminio krūvį ir oksidacijos būseną yra būtina siekiant atitikti pramonės standartus ir užtikrinti gaminio ilgaamžiškumą.
Patikimas automobilių presavimo sprendimų šaltinis
Taigi, kur galima kreiptis dėl specialistų patarimų dėl lydinių, apdorojimo ir tiekimo – ypač jei dirbate automobilių, aviacijos arba tikslinio gamybos sektoriuose? Specialistams, ieškantiems patikimo partnerio, kuris supranta, kaip aliuminio krūvis veikia tiek gaminio kokybę, tiek proceso efektyvumą, Shaoyi Metal Parts Supplier išsiskiria. Kaip vienas iš pirminių integruotų tikslumo automobilių metalinių dalių sprendimų tiekėjų Kinijoje, Shaoyi specializuojasi pagal užsakymą gaminamomis aliuminio profiliais, sukurtomis atitikti reikalavimus, keliamus automobilių pramonei. Jų metodas apjungia pažengusias kokybės sistemas su gilia technine žinija, užtikrindamas, kad kiekvienas profilis atitiktų reikiamas technines specifikacijas – nuo ruošinio iki gaminio.
Daugiau apie tai, kaip Shaoyi ekspertizė aliuminio profilių srityje gali padėti suderinti medžiagos savybes ir paviršiaus apdorojimą su aliuminio krūvio klausimais, galite sužinoti jų išteklių puslapyje: aliuminio ištraukos dalys . Šis išteklius ypač naudingas inžinieriams ir pirkėjams, kurie turi užtikrinti, kad jų komponentai ne tik atitiktų mechaninius ir matmenų reikalavimus, bet ir patikimai veiktų realiomis sąlygomis, kur svarbu aliuminio krūvio chemija.
- Optimizuokite anodinio sluoksnio baigiamąjį apdorojimą ir atsparumą korozijai
- Pagerinkite klijavimo sukibimą ir paviršiaus paruošimą
- Prognozuokite ir kontroliuokite elektrocheminį elgesį agresyviose aplinkose
- Pasirinkite tinkamą lydinį ir ekstruzijos procesą stiprumui ir ilgaamžiškumui
Suprantama koks yra al krūvis nėra tik akademinis – tai yra protingesnių medžiagų pasirinkimo, geresnio produkto dizaino ir ilgalaikio patikimumo visose pramonės šakose, kuriose vaidina aliuminis, pagrindas. Tiems, kurie yra pasiruošę šią žinias panaudoti praktikoje, tokios medžiagos kaip Shaoyi siūlo patikimą pradžią tiekimui, inžinerijai ir inovacijoms.
Daugiausiai užduodami klausimai apie aliuminio (Al) krūvį
1. Koks yra aliuminio jono krūvis ir kaip jis susidaro?
Aliuminio jonas paprastai turi +3 krūvį, užrašomą kaip Al3+. Tai atsitinka, kai neutralus aliuminio atomas praranda tris valentinius elektronus, dėl ko susidaro stabilus elektronų konfigūracija, panaši į neoną. Šį procesą skatina atomo pozicija 13 grupėje periodinėje lentelėje, kur prarasti tris elektronus yra energetiškai palanku.
2. Kodėl aliuminis pirmenybę teikia prarasti tris elektronus, o ne įgyti ar prarasti kitą jų skaičių?
Aliuminis linkęs prarasti tris elektronus, nes tai leidžia jam pasiekti stabilų inertinio dujų elektronų konfigūraciją. Energija, išsiskirianti, kai Al3+ su anijonais sudaro stiprius joninius kristalus, viršija energiją, reikalingą pašalinti tris elektronus, todėl +3 būsena yra labiausiai stabilus ir dažniausiai sutinkamas junginiuose.
3. Kaip Al krūvis veikia aliuminio junginių formules ir pavadinimus?
+3 Al krūvis nulemia, kaip jis sujungiamas su anijonais, kad susidarytų neutralūs junginiai. Pavyzdžiui, Al3+ sujungimas su oksidu (O2–) reikalauja dviejų Al3+ jonų kiekvienam trims O2– jonams, todėl susidaro Al2O3. Pavadinimas vyksta pagal standartines taisykles: pirmiausia nurodomas kationas (aliuminio jonas), po to – anionas.
4. Kas atsitinka aliuminio jonams vandenyje ir kas yra amfoteriškumas?
Vandenyje Al3+ sudaro heksaakvakompleksą, [Al(H2O)6]3+, kuris gali būti hidrolizuotas, kad būtų gaminamas Al(OH)3 esant neutraliai pH. Aliuminio hidroksidas yra amfoterinis, tai reiškia, kad jis gali tirpti tiek rūgštyse, tiek bazėse, sudarydamas skirtingas rūšis priklausomai nuo pH.
5. Kaip suprasti aliuminio krūvį naudinga automobils ir pramonės taikymo srityse?
Žinant, kad aliuminis sudaro +3 joną, yra svarbu numatyti jo elgesį procesuose, tokiuose kaip anodavimas, korozijos apsauga ir lydinių pasirinkimas. Patikimi tiekėjai, tokie kaip Shaoyi Metal Parts, užtikrina tinkamą krūvio būklę ir medžiagos kokybę automobilių aliuminio profiliams, palaikant patikimą komponentų našumą.